行星减速器中行星架单元装配机械手设计与仿真开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1 目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1行星减速器及其装配的概述

1.1.1行星减速器概述

行星减速系统在机械系统之中的作用主要是传递动力和运动。行星减速器功率经过多个行星齿轮分流最后同轴输出,减小了轴和轴承上的载荷。同其它平行轴系齿轮传动相比,具有结构紧凑所占空间小、扭矩与传动比大等优势。同时,因其具有体积小、传动效率高、传动功率大、承载能力大、噪声小、运行平稳等诸多特点而广泛应用于金属加工机械、工业机器人、医疗机械、航海机械、航空机械等众多领域。[1]

1.1.2行星减速器装配现状概述

行星减速器主要由输入轴、输出轴、行星轮、太阳轮、轴承、销轴、行星架、法兰板、垫圈等部件组成;采用人工流水线装配,在实际的装配之中存在一些问题,由于为工人手动操作压力机所以在轴承以及销轴在压装过程中,压装力与压装行程无法控制,同时销轴的压装定位无法保销轴与轴孔的垂直度。本题目背景:行星架单元的装配为整个装配流程其中一个部装工步,装配流程中需要压装销轴实现行星齿轮、垫圈与行星架的装配,此装配流程中的行星齿轮、垫圈和行星架通过人工插入定位销来实现定位,存在定位效率低的问题;压装销轴时通过人工将销轴放入行星架的轴孔中,难以保证销轴与轴孔的垂直度,会对销轴造成一定的损伤;压装过程中压力机的压装是依靠工人的经验进行压装。

1.2工业机器人机械手的概述

机器人手爪是组成机器人关键零部件之一,它安装于机器人的末端是机器人与工作环境相互作用的最后环节与执行动作的部件,其性能的优劣在很大程度上决定了整个机器人的工作性能。[2]机器人手爪的功能是机器人在接收到抓取工件信号后,按指定的路径和抓取方式,在规定的时间内完成工件取放动作的功能性参数。机器人在抓取工件的过程中,为保证抓取工件的可靠性,机器人手爪应具备一定的抓取运动范围、工件在手爪中有可靠的定位、适当的夹紧力、工件抓取后的检测报警等功能。[3]同时,多数情况下机器人机械手既是主动感知工作环境信息的感知器,又作为机器人末端的执行器,是一个具有高度集成化的、拥有多种感知功能和智能化控制功能的机电系统,涉及多个研究领域和交叉学科。[4]

机械爪按其握持物件的原理可分为:机械夹钳式手爪、气吸式手爪和磁吸式手爪。气吸式手爪负载较小,磁吸式手爪对所抓取物品要求苛刻,工作后的产品一般需要做退磁处理,机械夹钳式手爪通用性好。机械夹钳式手爪,包括回转型手爪和平面平面型手爪两种。[5]夹钳式手部由手指、传动机构和驱动装置三部分组成,它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性,可以抓取轴、盘、套类零件。一般情况下多采用两个手指,少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力,驱动源有液压、气动和电动等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。

1.3行星架单元装配机械手

1.3.1装配机械手需要实现的功能

在行星架装配的题目背景之下机械手需要实现以下几个功能:

(1)识别并定位需要夹取的零件;

(2)准确、快速抓取零件,同时限定一定的夹取力,能够夹起零件的同时不夹伤零件,在本题目中需要夹取的零件有行星架、行星轮、垫圈、销轴;

(3)定位需要装配的零件,包括行星轮与垫圈的定位、行星轮和垫圈与行星架上下板面轴孔的定位、销轴与轴孔的定位确保装配的质量。

1.3.2装配机械手的组成

(1)机械手指:

1) 手指:机械夹持式末端执行器夹取和释放工件是通过手指的开合运动实现的。手指是主要的承力部件,为末端执行器提供的足够的抓握力,保证抓取稳定性。手指还必须具有良好的刚度,保证相应的位置精度。手指的开合范围根据工件被夹取位置的截面尺寸来确定,开合范围不宜过大,否则将影响手指的开合稳定性。

2) 指端的形状:指端是直接与工件接触的部位,它的结构形状应顺应工件的形状,确保工件与指端保持良好的定位精度。指端通常分为平面状、尖形、V 形和圆弧形。

3) 指面形式:根据手指表面材质及性质,指面形式有光滑指面、花纹指面和柔性指面等。光滑指面一般用来夹持已加工表面,避免指端损坏已加工表面;花纹指面可增大手指与被夹持工件表面的摩擦力,保证夹紧稳定牢靠;柔性指面表面粘附橡胶、泡沫等柔软材料,可增大摩擦力、保护精加工表面,保护薄壁等脆弱工件。 [6]

(2)动力元件:

目前机械手的驱动方式主要有液压传动机械手、气压传动机械手、 电动机械手、 机械传动机械手。[7]

气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是由于气压装置的工作压强低,不易精确定位,一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。

电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式,分为 4 大类电机: 直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机。直流伺服电机和交流伺服电机采用闭环控制,一般用于高精度、高速度的机器人驱动;步进电机用于精度和速度要求不高的场合,采用开环控制; 直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟,已具有传统传动装置无法比拟的优越性能,例如适应非常高速和非常低速应用、高加速度,高精度,无空回、磨损小、结构简单、无需减速器和齿轮丝杠联轴器等。 [8]

(3)感知系统:器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息,除了需要感知与自身工作状态相关的机械量,如位移、速度、加速度、力和力矩外,视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号,用于控制调整机器人的位置和姿态。这方面的应用主要体现在半导体和电子行业。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。通常,机器人视觉伺服控制是基于位置的视觉伺服或者基于图像的视觉伺服,它们分别又称为三维视觉伺服和二维视觉伺服。[9]

1.4国内外研究现状

1.4.1行星减速器装配

对于行星减速器的自动装配并无工业机器人使用的案例,同时也没有实现完全自动化装配行星减速器的生产线的设计,但是有对于部分装配环节优化的案例。在文献 [10]中,设计的销轴压装设备在输出轴安装后,可以通过光电传感器检测输出轴是否安装到位。3个行星轮的装配和销轴装夹的定位通过压装模来保证。压头部分用来将销轴压入输出轴销孔中,在压头装置内安装有 3个压力传感器,通过 PLC将销轴的压入力反馈至开放式触摸显示屏上,对销轴的压入力大小进行实时监控,若显示的数据超出了通过触摸屏事先输入的压入力值规定范围,触摸屏上的报警按钮灯就会亮起,说明该产品不合格。此设备优化了行星轮销轴的压装,采用双动按钮,实现了对操作者的安全保护; 利用光电传感器装置来检测工件是否安装到位,避免工件没有安装好压头就下压而造成设备损坏及安全事故。

1.4.2虚拟装配与仿真

(1)行星减速器相关的虚拟装配与仿真

在行星减速器的虚拟装配中多为对于虚拟装配仿真以及装配精度进行论证及研究,针对装配体的建模,在文献[11]中,采用基于特征的装配,建立在产品设计基于特征上进行的基础之上,操作对象不再是实体模型中的线条和体素,而是具有特定工程语义的功能特征要素。相对传统模型装配方法比较,特征装配方法具有以下特点:特征装配充分利用几何建模中具有工程语义的对象,实现了模型信息最大化利用原则,使得装配过程更加直观、形象。并且,减轻了几何图形装配的复杂计算工作量,提高了建模与装配的效率。

针对装配仿真,在文献[12]采用了Vitools软件进行装配的仿真,首先导入建立好的模型,调整灯光及摄像机视角,通过对零件最初坐标以及拆解后的坐标和动作的编辑,可以实现装配顺序的演示,同时加入了工作原理及装配图纸界面,便于理解装配流程及原理。在文献[13]之中,提出了两种行星减速器得虚拟装配过程:按运动单元子装配体分解装配、按子装配体装配后再分解子装配体。

(2)基于Unity3D的虚拟装配与仿真

Unity3D引擎为游戏开发引擎,支 持 Android、IOS、VR 设 备 等 20 多 种 平 台,同 时 支 持JavaScript、C # 脚 本 语 言。它拥有丰富的脚本系统和用户界面系统,以及灯光摄像机视角模块,相较于其他的软件可以更加便利地实现动画仿真,同时还拥有虚拟现实交互的开发环境,是虚拟装配与仿真的一个重要软件平台。

孔伟晶等人[14]使用Unity引擎,以及HTC Vive头盔式显示器,进行模型的组装与拆卸系统的设计与研究,实现了对于装配对象的展示与装配演示,操作者能通过手柄进行虚拟装配,同时还有模型复位功能,提出了多零件模型在虚拟环境中定位与复位的实现方法,初步实现虚拟装配过程。在文献[15]-[16]之中,对于柴油机部件的虚拟装配与方真通过Unity3D引擎进行了实现,利用了Unity3D中的碰撞体组件模拟零件之间的干涉,设置好简洁便利的UI界面,具有良好的交互性,能指导现场员工装配操作,现实了二维装配工艺图纸向三维装配工艺可视化技术的转化。文献[17]之中,在分析汽车发动机培训行业需求及研究虚拟现实技术的应用现状的基础上,明确了创建一个完整的虚拟装配系统对于机械装配培训的现代化教育的意义。其中的研究重点是发动机虚拟装配的交互设计部分与 Unity3D 结合数据库技术持久化存储和分享数据。

1.4.3机器人技术及装配机械手

在文献[2]-[7]之中介绍了一些传统形式的平行加持机械手设计形式以及应用。在文献[18]中讨论了一种四针夹具,其手指配置为四个圆形而不是两条平行线。它实现了形状闭合并将物体限制在局部独特的姿势,以便完全消除姿势不确定性。它允许被抓物取体自由地到达最后抓取姿势,不会在垂直于抓握平面的方向上损失所需的摩擦力。可以获取更多信息以识别对象及其抓取模式。对于前一种四针夹具只讨论了二维抓取的情况,文献[19]之中,对于四针夹具在三维空间中分析并给出抓取过程和抓取方向。同时,由于物体和夹具之间的接触点并不总是在三维平面内,在所提出的方法中,引入了配置空间中的概念来分析整个抓取过程。与其他传统方法相比,该方法直接给出了可以抓取的物体范围以及抓取方向的区域。

在实际运用之中欠驱动机械手有着广泛的运用,欠驱动机械手指“驱动单元数小于自由度的末端执行器”,它具有与典型全驱动机械手类似的树形杆系机构,但其驱动单元数小于杆系机构的自由度。与全驱动手各关节的运动和接触力由驱动单元的输出决定不同,欠驱动手各关节的运动还受到其机械结构和外界接触的影响:当不与外界接触时,其各关节的运动由机械结构决定;当与外界接触时,其各关节的运动和接触力由机械结构、接触点的位置和驱动力共同决定。

上述特性让欠驱动手使用简单的控制系统就可以抓取形状各异的物体,易于实现对接触——指接触点的位置和接触力的大小——要求较低的力量抓取,却也让它难于实现对接触要求较高的捏取和操作。 [20]

在文献[20]中,研制了3指节-2指欠驱动机械手,针对欠驱动手抓取能力分析的计算复杂度问题,采用基于物体初始位置允差的抓取能力评价指标,进行了结构参数的优化,实现了物体较大初始位置偏差下的抓取。针对物体初始位置不确定性对欠驱动手执行捏取任务的影响,提出了基于接触检测和物体初始位置允差的抓取策略,提高了对物体初始位置不确定性的适应能力。

文献[21]中介绍了手指内表面带有传送皮带的柔性机械手VelvetFingers,它是一个欠驱动的机械夹持器,由两个手指组成,每个手指有两个指骨。欠驱动系统确保包裹着抓取物体,使抓手对不同形状和尺寸的物体具有高适应性。每个指骨内侧的活动表面由适当控制的传送带实现,使得夹具能够向物体的接触点施加切向推力。活动表面为抓手提供了手持操纵能力,而欠驱动系统使抓手能够包裹物体,从而确保抓握稳定性。同时,在文献[22]之中,基于RGBD相机对Velvet Fingers的抓取精度控制进行了相关研究和探讨。

1.4.3基于ADAMS的机械手虚拟样机的建立

在进行机械机构设计时,由于对于机构实际运行状态的不确定性,以及考虑到测试机构的制造成本,通过虚拟的实验和测试,建立虚拟物理模型和控制模型,提前发现模型设计中的潜在缺陷,并及时找到解决的方法,以此提高机械的设计效率是工程中应用较多的方法。[23] 在虚拟样机建立完成之后,可以对模型进行多种仿真分析操作,用来观察模型的运行情况。对机构进行运动学仿真的目的在于验证结构设计的合理性,考察各铰链及各部件的相对运动状态,检验各构件是否有干涉现象产生,整个机构运行是否平稳,考察和评价系统的速度和加速度等特性。[24]

杨丽新,杨林丰[23]利用ADAMS与MATLAB软件对锻造操作机械手的运行以及控制进行了联合仿真,通过ADAMS仿真得出机械手工作力与机构旋转角度,再将各类参数输入至MATLAB之中,以建立控制系统的框架。林坤,董桂鹏[25]等人利用ANSYS与ADAMS对汽车点火线圈装配机械手进行了振动分析,先在 ANSYS 中对机械手柔性体部分处于自由状态时进行模态分析,得到自由状态时各阶模态的固有频率,导入机械手柔性体的中性文件至ADAMS并生成柔性体,建立刚柔耦合模型,振动仿真分析模型是在其他模块建立的基础上,在输入位置处定义激励,在输出位置处计算频响函数,通过对输出响应的分析来决定系统振动性能方面的特性。

1.5论文究的目的及意义

本次毕业设计是基于实际生产中的行星减速器的行星架装配,通过本次毕业设计,熟悉行星减速器的工作原理,以及典型行星减速器的装配工艺。其次,对于工业机器人的末端执行机构进行深入的了解,通过查阅各类文献手册,再结合相关的装配需求实际进行装配机械手的设计,再学习相关的建模、仿真软件,对装配机械手进行建模和动力学仿真,再进行虚拟装配仿真。通过本次设计,将专业知识与专业思维与具体的设计题目相互结合,并且通过文献查阅、资料收集锻炼了自身的资料检索能力以及对于新知识的学习与运用能力,扩展了自己的知识面,提高了自身的设计能力。为以后的工作和学习打下了一定的基础。

2. 研究的基本内容与方案

2 研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容

2.1.1行星架自动装配的原理方案设计

(1)确定自动装配要求:包括分析不需要实现自动装配的零件,哪些零件适合自动装配;末端执行器的设计,需要达到的装配效率,夹取精度,装配精度;有装夹、定位行星架的底座。

(2)根据要求确定原理方案:机器人末端执行机构在结构和功能上要实现准确识别需要装配的零件,定位,准确抓取,放入装配体的指定位置之中,并且能够检测零件定位;末端执行器对行星轮与垫圈能够进行组合,共同置入行星架,并确保定位精度;对于行星架的装夹,需要实现固定和定位,需要旋转功能。

(3)根据需要实现的功能,设计末端执行机构,末端执行机构带有抓取模块及定位识别模块,若需要抓取不同的零件,则需要设计柔性机械手。设计行星架装配夹具,夹具要实现定位,并跟随机械手进行动作,配合装配。

(4)根据所确定的方案规划待装配零件的布置,以及装配顺序及装配节奏,整个装配过程的整体运作。

2.1.2行星架自动装配机械手的三维建模与仿真

(1)根据所设计的方案规划装配顺序;

(2)对于行星架、行星齿轮、垫圈、和销轴的装配要求进行分析;对于每个工件的尺寸进行分析计算,初步得出机械手的大致尺寸及工作要求;

(3)使用SolidWorks对零件进行三维建模,在设计机械手能实现功能的大体外形,初步建立三维模型;

(4)根据装配要求和工作要求,细化机械手,设计动作,使用ADAMS进行机械手的运动学仿真,根据仿真结果对原有机构进行优化;

(6)确定优化后的机械手详细的模型后,完成工程图的绘制;

(5)利用3ds Max对所有SolidWorks模型进行优化;

(6)将模型导入至Unity3D中,搭建装配场景,编写脚本命令,实现自动装配的仿真。

2.2技术方案

论文分为以下几个部分:绪论,行星减速器行星架单元装配原理方案分析,装配机械手设计,装配机械手动力学仿真,装配机械手装配仿真,总结与展望。

(1)对于绪论,参考收集的资料中的行星减速器装配技术以及机器人末端执行器设计与仿真的相关知识,进行总结和归纳,撰写国内外研究现状以及论文的主要内容和方法。

(2)行星减速器行星架单元装配原理方案分析之中对现有的装配技术进行分析以及总结,结合资料,分析机器手装配的要求以及装配路径。

(3)装配机械手设计设计部分,为论文重点,根据要求分析机械手的设计要求,确定机械手的构型,确定驱动机构,根据相关手册及资料设计各部位尺寸,使用SolidWorks进行三维建模。

(4)装配机械手动力学仿真部分,使用ADAMS对于机械手运动机构进行动力学仿真,得出各部分工作时的速度以及受力。

(5)装配机械手装配仿真,将SolidWorks中建立好的模型通过3ds Max导入至Unity3D之中,规划装配路径,编写脚本命令,编辑动画,实现装配仿真。

(6)根据理论计算和结构设计结果,对整个装配过程进行分析,撰写总结和展望。

3. 研究计划与安排

3 进度安排

(1)2月18日---3月14日 (1周-4周)

英文资料翻译,现阅读文献,整理开题报告;

(2)3月15日--- 4月4日 ( 5周—7周)

熟悉SolidWorks、Unity3D等软件,掌握建模和仿真方法;

(3)4月 5日---4月17日 (8周-9周)

完成行星减速器的装配工艺分析及装配机械手三维模型建立和模型优化工作;

(4)4月18日---5月1日(10周-11周)

完成对装配机械手仿真;

(5)5月7日--- 5月20日 (12周-13周)

编写和整理毕业设计论文;

(6)5月21日--- 5月27日 (14周)

修改、完善并打印毕业设计论文,提交毕业论文;

(7)5月28日--- 6月3日 (15周)

制作答辩幻灯片

4. 参考文献(12篇以上)

参考文献:

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